三維碳氣凝膠材料

三維碳氣凝膠材料

簡介

碳氣凝膠(Carbonaerogel)是一種具有三維網絡結構的多孔材料，該碳氣凝膠

耐熱性高達3000℃(在惰性和真空氣氛中)，由此引發了國內外對碳氣凝膠材料

研發的新浪潮。碳氣凝膠材料在吸油、儲能、隔熱、催化、吸波及光熱轉化等領

域應用具有先進性

分類

石墨基碳氣凝膠

石墨烯碳氣凝膠

石墨烯氣凝膠(GA)材料含有大量介孔和大孔，這賦予其高比表面積、高孔隙

率的結構特點。GA材料保留了原始石墨烯優異的物理化學性質，使GA材料在

光、熱、能源、化工以及生物等領域具有廣闊的應用前景。

通過雜化或復合改性手段以拓寬GA的應用領域。Zhou等制備了一種新型的

自支撐三維多孔氮摻雜石墨烯氣凝膠(NGA)錨定Pt納米團簇(Pt/NGA)復合材料。

該材料以氧化石墨烯和聚氧丙烯二胺D400為前驅體，在純水溶劑中通過自組裝

工藝制備出隨機排列的三維多孔骨架結構。隨后，通過電沉積方法將Pt納米團

簇均勻分散并嵌入到NGA上。所制備的Pt/NGA復合材料表現出高的氨電氧化活

性,其質量比活性為1.77mA?哈4,面積比活性為0.64mA,cm-2。[2]

碳納米管氣凝膠

碳納米管(CNTs)氣凝膠是以碳納米管為基材，組裝形成的密度極小的三維多

孔結構材料。CNTs的納米尺寸和手性結構使制備出的三維氣凝膠材料具有優異

的力學和電學性能，在光能物理、化學分析電子元器件等領域大放異彩。

有機碳氣凝膠

生物質碳氣凝膠

生物質材料具有來源廣泛、可再生、可分解、環境無污染等特點，是優質的

碳氣凝膠前驅體材料。富含纖維素的生物質原料經水熱或高溫碳化處理，再通過

合理的組裝即可制備碳氣凝膠材料。

Chen等通過化學處理去除木質素和半纖維素從而破壞了天然木材的薄細胞

壁，經高溫碳化后制備了由大量片層結構堆疊形成的木材基碳氣凝膠材料(WCS)。

這種片層堆疊結構賦予其優異的壓縮回彈性和抗疲勞性。此外，該氣凝膠材料作

為應變傳感器，對電導率變化實現了快速響應的特性。[3]

聚合物基碳氣凝膠

聚合物基碳氣凝膠可以通過熱解有機溶膠或凝膠制備而成。在聚合過程中，

通過在溶膠凝膠反應體系中添加聚合物、無機鹽、陶瓷納米顆粒等有助于調控碳

氣凝膠材料的孔結構。也可以通過高溫裂解聚合物纖維轉化制備。該方法是指將

聚合物纖維如海藻酸鈉(SA)、聚酰亞胺(PI)、聚丙端情(PAN)等經高溫碳化轉化為

碳纖維，再通過組裝工藝形成具有三維結構的碳纖維氣凝膠。

雜化碳氣凝膠

雜化碳氣凝膠是氣凝膠材料發展的一大趨勢，它可以實現不同材料之間功能

互補的目的。通過引入有機基團或者高分子聚合物，調節控制各組分之間的比例,

可以優化單一組分碳氣凝膠材料脆性大、易潮解、柔韌性差等問題。

碳氣凝膠的制備方法

溶膠凝膠法

溶膠凝膠法是一種較為常用的碳氣凝膠制備工藝，該方法因反應條件溫和、

操作簡單、產品純度高等特點引起眾多研究者的興趣。該方法制備的碳氣凝狡孔

徑一般分布較窄，孔結構較為有序。溶膠凝膠法一般分為五個步驟：溶膠配制、

凝膠老化、溶劑交換、干燥和碳化，如圖(a)所示,

水熱法

水熱法一般是在高溫高壓反應釜內進行，以去離子水為溶劑，并加入一些交

聯劑，使含碳前驅體與溶劑液體發生化學反應，通過自組裝工藝生成三維多孔碳

氣凝膠材料。該工藝是目前制備還原氧化石墨烯氣凝膠材料最廣泛使用的方法,

其原理如圖(b)所示。

在水熱過程中，大多數環氧基、竣基和羥基等含氧官能團被還原，石墨烯薄

片變得疏水。隨后，殘留的親水含氧基團使還原的石墨烯薄片在自組裝過程中封

裝水。當石墨烯的濃度達到一定閾值時，經過物理或化學交聯的作用使石墨烯片

隨機堆疊形成三維網絡結構。

化學氣相沉積法

化學氣相沉積(CVD)是指反應物在氣態條件下發生化學反應，在襯底或者催

化劑的表面生成固態沉積物，從而制名出所需材料的一種方法，原理如圖⑹所示。

CVD法具有以下優點：首先，石墨烯、碳納米管或其他活性材料可實現快速

沉積；其次，CVD法制備的氣凝膠結構更易調控，如制備垂直排列、雙連續的中

孔及三維交聯的多孔結構等。

冰模板法

冰模板法也被稱為〃冷凍澆鑄法〃，其基本原理是利用冰凍過程中所形成的冰

晶作為模板制備多孔材料。如圖(d)所示，當反應原料逐漸凍結時，溶質顆粒開

始聚集在生長的冰晶周圍，直到樣品完全凍結。隨后通過升華或解凍去除冰晶,

最終的微結構由孔隙形態組成，是原始冰晶的負鑄型。

應用

吸油材料

碳氣凝膠材料具有質輕、比表而積大、吸附容量高、解吸簡單以及循環穩定

性好等優點，因此其在污水處理領域顯示出巨大的應用前景。Jiao等以天然竹纖

維為原料，采用熱解方法制備了輕質/超疏水碳纖維氣凝膠。該氣凝膠可以吸附

多種有機液體，吸附容量達自身重量的23~51倍。同時該氣凝膠具有良好的循環

利用性，經過燃燒、按壓、萃取5次循環后仍能保持較高的吸附效率。

超級電容器

碳氣凝膠材料保持了碳材料高的導電性，因此其被廣泛用作超級電容器電極

材料。此外，其豐富的孔隙率、高的表面積和三維交聯的多孔結構能夠有效縮短

電子/離子傳輸路徑，進而表現出高的電化學性能。

隔熱絕熱材料

碳氣凝膠材料具有優異的熱穩定性，在惰性氣氛下2800℃時仍能保持三維

多孔結構。而且，碳氣凝膠材料豐富的孔結構賦予其超低的導熱系數。因此，碳

氣凝膠被認為是極具潛力的新一代高性能隔熱絕熱材料。

光熱轉化

常用的光熱轉化材料主要有貴金屬納米顆粒、無機半導體（金屬氧化物/毓化

物）、碳基材料等。碳氣凝膠材料以其優異的導熱性、導電性、寬的光吸收范圍、

高比表面積等優點，在光熱轉化應用中具有良好的前景。Wang等以間苯二酚/

甲醛為原料采用溶膠-凝膠聚合、冷凍干燥和碳化工藝制備了集微孔、介孔和大

孔于一身的分級多孔碳氣凝膠材料（CAs）。該氣凝膠材料在1個太陽光照強度下，

實現了87.51%的光熱轉化效率和1.37kg-m-2-h-l的水蒸發速率（如圖）。⑷

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